不同排水方案下深埋引水隧洞开挖损伤区渗流_应力耦合分析_刘仲秋

Seepage-Stress Coupling Analysis of Excavation Damage Zone for Deep-Buried Diversion Tunnel with Different Drainage Schemes Liu Zhong-qiu， Pan li-yun， Zhao Yan Shandong Agricultural University; Taian Shandong 271018， China； North China University of Water Conservancy and Electric Power; Zhengzhou Henan 450011， China Chengdu Design and Research Institute; Chengdu Sichuan 610072， China email: ； e-mail: ； email: abstractHigh in-situ stress and high water pressure are the main factors influencing the stability of rock mass for deep-buried diversion tunnels. Based on equivalent saturated porous media theory and considering rock mass as permeable media, full seepage-stress coupling analysis of Jinping diversion tunnel during its excavation period were carried out with four different drainage schemes. The results showed that drainage condition around the tunnel boundary had great influence on forming of excavation damage zone(EDZ), when applying drainage scheme as first boundary condition at the bottom of the tunnels, the largest region of EDZ can be acquired, and when applying drainage scheme as second boundary condition around the four tunnel boundary, EDZ of four tunnels had different region because of drainage interaction between each other. keywordsDiversion Tunnel; excavation damage zone; seepage-stress coupling; drainage scheme 不同排水方案下深埋引水隧洞开挖损伤区渗流-应力耦合分析 刘仲秋 潘丽云 赵艳 山东农业大学，山东 泰安 271018；华北水利水电学院，河南 郑州 450045；成都勘测设计研究院，成都，四川 61007 2 email: ； e-mail: ； email: 【摘要】高地应力和高外水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性的主要因素。基于等效饱和多孔介质理论，将裂隙岩体视为具有透水特性的弹塑性损伤材料，并考虑其变形特性与渗透系数的动态演化规律，进行了四种排水方案下锦屏深埋引水隧洞围岩开挖损伤区渗流-应力全耦合分析。分析结果表明：隧洞周边排水条件对开挖损伤区影响较大，隧洞底部排水且为第一类边界条件时，开挖损伤区范围最大，隧洞周边排水且为第二类边界条件时，四条隧洞的开挖损伤区受相邻隧洞排水影响，因此形成的开挖损伤区范围有所不同。 【关键词】深埋引水隧洞；开挖损伤区；渗流-应力耦合；排水方案 岩体总要赋存于一定的地质环境中，既由地应力场、渗流场、地温场及化学场等构成的环境中，高地应力下的人工扰动将使得隧洞周边岩体的围压消失而切向应力的集中，从而导致隧洞周边围岩内渗流场和应力场的改变，发生渗流-应力耦合现象，并向围岩深处发展，从而导致开挖损伤区（EDZ）或开挖扰动区（EdZ）的形成，给地下隧洞围岩的稳定性和施工安全带来严重的威胁1，2， 其共同特征体现在损伤对于岩体力学特性、渗流特性、热传导系数和扩散系数等的改变。隧洞周边排水条件作为影响渗流场的一个重要因素， 也会通过渗流-应力耦合作用间接影响到开挖损伤区形成的区域及其损伤程度1,3。 本文基于等效饱和多孔介质全耦合模型，将围岩材料考虑为具有透水特性的弹塑性损伤材料，对锦屏二级引水隧洞进行了开挖全过程渗流-应力耦合数值模拟，主要研究了隧洞周边不同类别和不同位置排水条件下的开挖损伤区的损伤程度及其范围，从而为类似“三高”实际地下工程开挖支护以及排水布置原则提供一定的参考和借鉴意义。 1 渗流-应力耦合理论及其水力边界条件 对于裂隙围岩，可将其视为等效连续多孔介质，则其耦合模型的基本方程可采用等效多孔连续介质理论2，高地应力下的裂隙岩体在经过开挖爆破与应力2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System 978-1-4244-9162-9/10/$26.00 2010 IEEE PEITS2010 291 调整后会局部达到屈服，进入残余强度阶段，并带来渗透系数的改变，因此考虑采用塑性损伤耦合本构模型4，选取 Drucker-Prager 非相关联屈服准则5，损伤演化方程为 : 00BeADapeeq+=（ 1） 式中， D 为裂隙岩体标量损伤变量，peeq 为裂隙岩体产生等效塑性应变， a 材料参数，0A 和0B 是和 a 相关常参数。 渗流场本构： )()(1(,ttpQpkVjij= （ 2） )1()1(pvDijMijijDDkkDk += （ 3） 式中，ijk 为渗透系数张量， 为 Biot 常数， Q为 Biot 变量；Mijk 和Dijk 为非损伤岩石和破裂岩石的渗透系数，之间差 2 个量级，pv 为塑性体及应变。 孔隙水的连续性微分方程的水力边界条件可以写成如下形式6： ),()()( txBnxxS=+ （ 4） )(x ， )(x 和 ),( txB 是边界函数， 是压力水头，wwrP= 。当 0 ， 0= ，上式为第一类边界条件（ Dirichlet 边界） ；当 0= ， 0 ，为第二类边界条件（ Neumann 边界） ；如果 0 ， 0 称为第三类边界（ Cauchy 边界） 。 2 计算模型与计算工况 锦屏二级水电站引水隧洞是锦屏二级水电站枢纽最重要的组成部分。隧洞所在区域平均埋深超过1700m，最大埋深达 2525m，实测最大主压应力为42.11MPa，并且地下水活跃，预计洞群开挖过程中可能遇到 10MPa 的外水压力，引水隧洞在运行时内水压力水头也达 3MPa7。引水隧洞沿线主要为三迭系中、上统的大理岩、灰岩、结晶灰岩及砂岩、板岩，其中大部分为碳酸盐地层，其次为砂板岩。本文重点研究白山组大理岩 T2b地段隧洞围岩和衬砌的受力特征。 根据引水隧洞的布置特点，在隧洞中心埋深 1700 m处建立有限元计算模型，隧洞中心外水 位 500m。计算范围为 240m420 m，模型2轴向为重力方向，1 轴向为平行于河谷方向，有限元模型如图 1 所示。隧洞毛洞洞半径 6.5m，洞与洞之间中心距为 60m，锚杆布置和参数见图2和表1 所示。 Fig. 1 FEM Model 图 1 有限元模型 根据严鹏等人8对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测结果，钻爆开挖损伤区可以分为内损伤区和外损伤区，其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速卸载引起，后者主要由应力重分布引起。本数值模拟采用设置范围为 1m 左右的均匀初始爆破损伤区作为爆破荷载对内损伤区的影响，如图 2 所示。开挖释放荷载采用反转应力释放法，围岩稳定性分析和支护设计中的参数如表 1 所示。 计算步骤为： （ 1）完成对数值模型初始应力场平衡和渗流场的计算； （ 2）释放 60%开挖荷载，进行初始爆破损伤区参数赋值，隧洞周边不排水； （ 3）加锚杆支护，隧洞周边排水，释放剩余 40%开挖荷载。 Fig. 2 Initial blasting damage zone and support structures 图 2 初始爆破损伤区及其支护结构 隧洞周边排水情况分为以下四种情况： （ 1）所292 有节点wu 为 0， （ 2）仅底部中心节点wu 为 0， （ 3）所有节点有 gyuww+ 为 5MPa3， (4)考虑第二类边界条件，排水能力大概确定为 0.005m2/d。 其中wu 为孔隙水压力，w 为水密度， y 为节点 Y轴向坐标， g 为重力加速度。 Table 1. Material parameters of numerical model 表 1. 模型材料主要参数 Material Rock mass Initial blasting excavation-induced damage zone Bolt Elasticity modulus E /kPa 2.8e7 2.4e7 2.0e8 Poissons ratio 0.2 0.18 0.27 unit dry weight /kN m-327.5 27.5 78.00 friction angle / 48 48 / cohesive force c /kPa 1.8e3 1.44e3 diameter 25 Initial permeability coefficient k /(m/d) 4.0 e-4 4.0e-3 bolt length 5.4m Initial porosity e 0.001 0.01 Compressive strength cR /kPa / / 3.1e5 Tensile strength tR /kPa / / 3.1e5 3 计算结果与分析 四种不同排水条件下围岩开挖后孔隙水压力分布云图如图 3 所示。从图中可以看出，方案（ 1）和方案（ 3）结果几乎完全一样，最终隧洞周边孔隙水压力为0MPa，而方案（ 2）仅仅隧洞底部孔隙水压力较小，其余部位存在较大孔隙水压力，方案（ 3）则是中间两个隧洞周边孔隙水压力较低，而两侧的隧洞周边孔隙水压力没有完全消散。这主要是由于考虑第二类边界条件时，孔隙水压力的消散和设计的排水流量能力相关，中间两个隧洞的排水总量均会被相邻的隧洞所分担，因此其排水边界的水头能够较快消散。而第一类边界条件下孔隙水压力的消散仅与边界的水头相关。 Scheme（ 1） Scheme（ 2） Scheme（ 3） Scheme（ 4） Fig. 3 Distributing of pore pressure on surrounding rock mass with different drainage schemes 图 3 围岩孔隙水压力分布云图 围岩 开挖损伤区结果如图 4 所示，方案（ 1）和（ 2）均取最左侧的隧洞为代表进行分析。从图中可以看出，四种方案形成的开挖损伤区形状类似，但方案（ 2）形成的开挖损伤区的范围最大，因为其隧洞周边存在较大孔隙水压力，会降低围岩的有效应力，造成较严重的岩体损伤。而方案（ 4）由于第二类边界条件造成隧洞周边孔隙水压力分布不均匀，因此开挖损伤区的范围也不相同，两侧隧洞的开挖损伤区要大于中间两个隧洞。因此如果考虑排水条件为第二类边界时，要注意排水能力和相应的排水效果相一致，才能保证排水降低孔隙水压力的效果。 Scheme（ 1） Scheme（ 2） Scheme（ 4） Fig. 4 Distributing of EDZ on surrounding rock mass with different drainage schemes 图 4 围岩开挖损伤区分布云图 293 图（5）给出了方案（4）最左侧的隧洞的围岩渗透系数沿不同路径的分布曲线，从图中可以看出，隧洞的左右两侧渗透系数扰动最大，这也和该区域出现较大开挖损伤区相一致，而上部渗透系数变化较小，而该部位的开挖损伤区也较小。因此需要对隧洞的两侧进行支护和保护措施，防止开挖损伤区影响施工和隧洞运行安全。 Fig. 5 Permeability coefficient distributing of Surrounding rock mass 图 5 围岩渗透系数沿路径分布图 4 结论 本文将裂隙围岩与视为透水结构，并考虑其为弹塑性损伤本构模型，进行了锦屏深埋引水隧洞渗流-应力全耦合分析，主要分析了引水隧洞开挖过程中排水条件对开挖损伤区的的影响。 （1） 仅考虑隧洞局部排水时，对开挖损伤区的影响最大，而考虑第二类排水边界时，将会对不同位置的隧洞开挖损伤区产生不同的影响。 （2）开挖损伤区内围岩渗透系数将发生较大变化，产生较复杂的渗流-应力耦合现象，需要对此范围内的围岩进行加固和处理，保证围岩稳定性。 致谢： 论文得到国家重点基础研究发展计划资助（课题编号: 2007CB714104）和山东农业大学青年科技创新项目资助（23698），在此表示感谢！ 参考文献： 1 Tsang C F, Bernier F, Davies C. Geohydromechanical processes in the Excavation Damaged Zone in crystalline rock, rock salt, and indurated and plastic claysin the context of radioactive waste disposalJ. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2005, 42(1): 109125 2 Liu Zhongqiu, Zhang Qing. A Review of the state of the art of the Saturated Seepage-Stress Coupling Models in Rock MassJ. advances in mechanics, 2008, 38(5): 585600 刘仲秋，章青. 岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展 J. 力学进展，2008，38(5)：585-600. 3 Arjnoi P, Jeong J H, Kim C Y, et al. Effect of drainage conditions on porewater pressure distributions and lining stresses in drained tunnels J. Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24(12):376-389 4 JIA Shan-po, CHEN Wei-zhong, YU Hong-dan, et al. Research on seepage-stress coupling damage model of Boom clay during tunneling J. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(1):19-26 贾善坡，陈卫忠，于洪丹等. 泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究J. 岩土力学，2009，30(1)：19-26. 5 ABAQUS